Chapter II Các tiêu chuẩn của mạng WLAN.doc

Các tiêu chuẩn của mạng WLAN

Chương II Các tiêu chuẩn của mạng WLAN 2

2.1 Giới thiệu về các tiêu chuẩn 2

2.2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11 3

2.4 Lớp điều khiển truy nhập môi trường IEEE 802.11 11

2.4.1 Đơn vị dữ liệu giao thức MAC 802.11 tổng quát 12

2.4.2 Các khoảng trống liên khung 12

2.4.3 Chức năng phối hợp phân tán 14

2.4.4 Chức năng phối hợp điểm 20

2.4.5 Kết hợp và tái kết hợp 21

2.4.6 Nhận thực và bảo mật 22

2.4.7 Đồng bộ hoá 23

2.4.8 Quản lý công suất 23

2.4.9 Quá trình phân mảnh gói 24

2.5 Tiêu chuẩn HIPERLAN Type I 25

2.5.1 Lớp vật lý 26

2.5.2 So sánh các đặc tính kỹ thuật giữa IEEE 802.11 và HIPERLAN 28

2.5.3 Lớp điều khiển truy nhập môi trường HIPERLAN Type I 28

2.5.4 Chuyển tiếp nội bộ 30

2.5.5 Nút ẩn 31

2.5.6 Chất lượng dịch vụ 32

2.5.7 Quản lý công suất 32

2.5.8 An ninh 32

2.6 Chuẩn WLIF OpenAir 32

2.7 Chuẩn HomeRF SWAP 33

2.8.6 Tiêu thụ công suất 37

2.8.7 Các phát triển trong tương lai 37

2.9 Các chuẩn W3C và WAP 38

2.9.1 W3C 38

2.9.2 Diễn đàn WAP-WAP Forum 38

2.10 Chuẩn kết hợp dữ liệu hồng ngoại 39

2.11 Tổng kết 40

Chương II Các tiêu chuẩn của mạng WLAN

2.1 Giới thiệu về các tiêu chuẩn

Năm 1990, Viện các kỹ sư điện và điện tử IEEE đã thành lập một uỷ ban để phát triển tiêu chuẩn cho các mạng WLAN hoạt động ở tốc độ từ 1 đến 2 Mbps Năm 1992, Viện các tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu thành lập một hiệp hội để xây dựng tiêu chuẩn WLAN dùng cho các mạng LAN vô tuyến (HIPERLAN) hoạt động trong phạm vi tốc độ khoảng 20 Mbps Gần đây các chuẩn xây dựng cho mạng WLAN phục vụ cho các ứng dụng đặc biệt trong phạm vi một toà nhà đã và đang được phát triển Khác với các chuẩn này, quá trình phát triển chuẩn IEEE 802.11 đã bị ảnh hưởng mạnh bởi các sản phẩm của mạng WLAN có mặt trên thị trường Vì vậy, mặc dù cần khá nhiều thời gian để hoàn thiện các tiêu chuẩn (do có khá nhiều các đề xuất mang nặng tính cạnh tranh từ phía các nhà cung cấp thiết bị), nó vẫn là tiêu chuẩn phổ biến nhất cho đến nay Phần này trình bày về các chuẩn của mạng WLAN trong đó tập trung vào chuẩn 802.11

Họ tiêu chuẩn 802.11 do IEEE phát triển định nghĩa giao diện vô tuyến giữa trạm vô tuyến và trạm gốc hay giữa hai trạm vô tuyến với nhau Các tiêu chuẩn IEEE 802.11 cung cấp tốc độ truyền dẫn 2 Mbps Họ tiêu chuẩn 802.11 có nhiều phần mở rộng trong đó ba tiêu chuẩn 802.11b, 802.11a, 802.11g là quan

IEEE 802.11g cung cấp tốc độ lớn hơn 20 Mbps trong băng tần 2,4 GHz Chuẩn này có thể mở rộng tốc độ của 802.11b lên tối đa 54 Mbps trong cùng băng tần nhưng chỉ truyền trong khoảng cách ngắn Do khả năng tương thích sau này, các card vô tuyến 802.11 giao tiếp trực tiếp với một điểm truy nhập 802.11g (và ngược lại) với tốc độ 11 Mbps hoặc thấp hơn tuỳ thuộc vào dải truyền sóng.

Chuẩn IEEE 802.11a áp dụng cho các mạng LAN vô tuyến và cung cấp tốc độ lên tới 54 Mbps trong băng tần 5 GHz Chuẩn 802.11a không tương thích với các mạng sử dụng 802.11b hoặc 802.11g, như vậy một người sử dụng được trang bị card giao diện vô tuyến 802.11b hoặc 802.11g không thể giao tiếp được với điểm truy nhập sử dụng chuẩn 802.11a

Chuẩn HIPERLAN Type I giống như chuẩn 802.11, chuẩn này phục vụ cho cả các mạng độc lập và các mạng có cấu hình cơ sở HIPERLAN Type I hoạt động ở băng tần 5,15 đến 5,3 GHz (băng tần được chia thành 5 kênh tần số) với mức công suất đỉnh thấp khoảng 1W Tốc độ dữ liệu vô tuyến tối đa có thể hỗ trợ là khoảng 23,5 Mbps và chuẩn này cũng hỗ trợ cho các người dùng di động ở tốc đọ thấp (khoảng 1,4 m/s) Ngoài HIPERLAN Type I còn có chuẩn HIPERLAN Type II, các đặc tính của chuẩn này được cho trên Bảng 2.1.

Chuẩn OpenAir được phát triển và hoàn thiện vào năm 1996 bởi diễn đàn tương hỗ các mạng WLAN WLIF (Wireless LAN Interoperability Forum), chuẩn này cho phép tốc độ dữ liệu vô tuyến 1,6 Mbps đối với mỗi mẫu nhảy tần Với 15 mẫu độc lập, tốc độ dữ liệu tổng cộng lên đến 24 Mbps (15x1,6 Mbps)

ngoại 350.000 GHz 4 Mbps Chỉ dùng trongphòng, không ảnh hưởng tới sức khoẻ Bảng 2.1 Tóm tắt các tiêu chuẩn WLAN

2.2 Tiêu chuẩn IEEE 802.11

Tiêu chuẩn IEEE 802.11 cho các mạng WLAN do Uỷ ban 802 các tiêu chuẩn cho các mạng LAN và MAN (LMSC – 802 Local and Metropolitan Area Networks Standards Comittee) trực thuộc Hội đồng chuyên ban về máy tính trong IEEE đưa ra Chuẩn này phát triển từ 6 phiên bản phác thảo và bản cuối cùng được phê chuẩn vào năm 1997 Chuẩn 802.11 cho phép nhiều nhà cung cấp phát triển các sản phẩm mạng LAN tương hỗ với nhau sử dụng trong băng tần

ISM 2,4 GHz Quá trình tiêu chuẩn hoá vẫn đang tiếp tục đề đạt được chứng chỉ tiêu chuẩn ISO/IEC và tiêu chuẩn IEEE.

Tiêu chuẩn IEEE 802.11 xác định kết nối vô tuyến cho các nút cố định, cầm tay, và các nút di động trong một khu vực địa lý nhất định Đặc biệt, chuẩn này xác định một giao diện giữa người dùng vô tuyến và điểm truy nhập vô tuyến, cũng như giữa các người dùng vô tuyến Như ở bất cứ tiêu chuẩn IEEE 802.x nào như 802.3 (CSMA) và 802.5 (token ring), chuẩn 802.11 định nghĩa cả lớp vật lý (PHY) và lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) Tuy nhiên, lớp MAC 802.11 cũng thực hiện các chức năng liên quan đến các giao thức lớp cao hơn (ví dụ như quá trình phân mảnh, khôi phục lỗi, quản lý di động, và bảo vệ công suất) Các chức năng này cho phép lớp MAC 802.11 che khuất các đặc tính của lớp vật lý vô tuyến PHY đối với các lớp cao hơn.

2.2.1 Kiến trúc mạng IEEE 802.11

Bộ dịch vụ cơ sở BSS (Basic Service Set) là một khối cơ sở của mạng WLAN và bao gồm 2 hay nhiều nút di động (gọi là các trạm hoặc STA) Hình 2.1 và 2.2 minh hoạ khái niệm của một BSS khi áp dụng vào các mạng WLAN

Mỗi BSS có một nhận dạng gọi là BSSID thường ứng với địa chỉ MAC của thành phần vô tuyến của card giao diện mạng Vùng phủ vô tuyến giữa các thành viên của một BSS có thể truyền thông với nhau được gọi là vùng dịch vụ cơ sở BSA Một mạng WLAN độc lập chỉ bao gồm một BSS và được gọi là BSS độc lập (IBSS) Hệ thống phân bố DS kết nối hai hay nhiều BSS với nhau thường sử dụng một mạng đường trục hữu tuyến, vì thế nó cho phép các nút di động có thể truy nhập vào các tài nguyên mạng cố định Một mạng WLAN bao gồm một tập hợp các BSS và DS được gọi là tập dịch vụ mở rộng ESS Giống như BSS, ESS cũng có một nhận dạng duy nhất gọi là ESSID Việc xác định một ESSID chung cho phép nút di động được chuyển mạng từ BSS này tới BSS khác

Điểm truy nhậpĐiểm truy nhập

Hình 2.3: Mô hình tham chiếu cơ sở IEEE 802.11

2.2.2 Mô hình tham chiếu IEEE 802.11 cơ sở

Như ở trong Hình 2.3, lớp vật lý PHY được chia thành hai phân lớp Phân lớp phụ thuộc môi trường vật lý PMD xử lý các thuộc tính của môi trường vô tuyến (tức là các phương pháp trải phổ DSSS, FHSS, hoặc DFIR) và xác định cách phát và thu dữ liệu thông qua môi trường (ví dụ như điều chế và mã hoá) Phân lớp hàm hội tụ lớp vật lý PLCP xác định phương pháp chuyển đổi các đơn vị dữ liệu giao thức phân lớp MAC vào một khuôn dạng gói thích hợp cho phân lớp PMD Nó cũng có thể thực hiện cảm biến sóng mang (ấn định kênh) cho phân lớp MAC Phân lớp MAC xác định cơ chế truy nhập cơ sở (dựa trên CSMA) cho các nút di động để truy nhập vào môi trường vô tuyến (xem phần 2.5) Nó cũng có thể thực hiện quá trình phân mảnh và mã hoá gói dữ liệu Việc quản lý phân lớp vật lý PHY liên quan đến quá trình nhận các điều kiện liên kết khác nhau và duy trì thông tin quản lý lớp vật lý cơ sở MIB Việc quản lý phân lớp MAC giải quyết các vấn đề như đồng bộ hoá, quản lý công suất, kết hợp và

tái kết hợp Ngoài ra, nó duy trì phân lớp MAC MIB Việc quản lý trạm xác định các phân lớp quản lý lớp vật lý PHY và lớp MAC tương tác với nhau như thế nào

2.3 Lớp vật lý IEEE 802.11

Lớp vật lý PHY cho phép ba tuỳ chọn truyền dẫn đảm bảo các mạng WLAN có thể được triển khai trong các vùng phủ khác nhau từ phạm vi một căn phòng cho đến phạm vi toàn khuôn viên của một trường đại học Các tuỳ chọn này bao gồm trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS, trải phổ nhảy tần FHSS, và hồng ngoại khuyếch tán DFIR Tuy nhiên, để các thiết bị vô tuyến 802.11 tương thích với nhau, chúng phải có cùng một lớp vậy lý PHY (tức là các mạng WLAN FHSS truyền thông được với nhau nhưng không truyền thông được với các mạng WLAN DSSS) Trong khi lớp vật lý PHY DFIR hoạt động ở băng tần gốc, hai tuỳ chọn tần số vô tuyến (tức là DSSS và FHSS) hoạt động ở băng tần ISM 2,4 GHz Băng tần này không yêu cầu người sử dụng phải được cấp phép mặc dù các nhà cung cấp thiết bị cần phải được cấp phép khi bán các sản phẩm của họ ở một quốc gia DSSS 802.11 hỗ trợ tốc độ dữ liệu bắt buộc 1 Mbps và 2 Mbps Đối với FHSS và DFIR, tốc độ dữ liệu 1 Mbps là bắt buộc trong khi tốc độ 2 Mbps là tuỳ chọn Mỗi lớp vật lý PHY thường được miêu tả bằng các sơ đồ trạng thái

2.3.1 Các khuôn dạng gói dữ liệu chung

Thông tin người dùng được phân mảnh vào trong các gói dữ liệu (802.11 dùng thuật ngữ khung) với phần mào đầu và phần tiêu đề được ghép vào đầu mỗi gói Sau khi nút đích đồng bộ với phần mào đầu PLCP, nó thu được các thông tin về độ dài của gói dữ liệu, tốc độ số liệu (1 hay 2 Mbps), và các thông tin khác từ phần tiêu đề PLCP Điểm quan trọng ở đây là các phần mào đầu và phần tiêu đề PLCP được phát đi ở tốc độ 1 Mbps (có ngoại lệ khi áp dụng cho một một số phần của tiêu đề PLCP DFIR) Điều này cho phép mạng WLAN hoạt động ở tốc độ thấp hơn (nhưng vùng phủ lại lớn hơn) nhằm tương thích với hoạt động của các phần tương ứng khác có tốc độ cao hơn (nhưng vùng phủ hẹp hơn) Trong khi đó, tốc độ dữ liệu thấp 1 Mbps cho phép các phần mào đầu và phần tiêu đề PLCP có thể được giải mã mà không cần sử dụng các bộ cân bằng công suất thấp Các bộ cân bằng này thường phải giải quyết các vấn đề đa đường truyền ở tốc độ cao Điểm bất lợi của tốc độ 1 Mbps là ở chỗ nó làm giảm hiệu quả truyền dẫn khi MPDU được phát đi ở tốc độ cao.

2.3.2 Lớp vật lý DSSS

Hình 2.4 minh hoạ khuôn dạng gói DSSS 802.11 Một vài giới hạn của các trường khác nhau trong phần tiêu đề PLCP được mở rộng để dễ sử dụng hơn Bên cạnh việc cho phép nút thu phát hiện các đỉnh cực trị tự tương quan của mã giả ngẫu nhiên và cố định việc định thời một gói số liệu đến, các bit đồng bộ hoá

cũng cho phép khả năng lựa chọn anten thích hợp (nếu có sử dụng phân tập anten) Trường tín hiệu xác định hoặc là MPDU được điều chế sử dụng DBPSK (1 Mbps) và DQPSK (2 Mbps) hoặc là được sử dụng để xác định các quá trình mở rộng tốc dộ dữ liệu Bộ xác định khung khởi đầu cho biết phần bắt đầu của gói dữ liệu Truờng độ dài xác định độ dài của MPDU trong khi phần kiểm tra lỗi tiêu đề bảo vệ ba trường nằm trong phần tiêu đề PLCP

Đơn vị dữ liệu giao thức PLCP (PPDU)

Truyền dẫn 1 MbpsTruyền dẫn 1 hoặc 2 Mbps

Tốc độ dữ liệu cơ sở sử dụng phương pháp điều chế khoá chuyển pha nhị phân vi sai DBPSK, mỗi bit dữ liệu được biến đổi vào 1 trong 2 pha Tốc độ 2 Mbps nâng cao tốc độ số liệu bằng cách sử dụng khoá chuyển pha cầu phương trực giao DQPSK Trong trường hợp này, 2 bit số liệu được biến đổi vào 1 trong 4 pha của mã trải phổ

Điều chế Dữ liệu Thay đổi pha

Bảng 2.2: Định nghĩa pha của DBPSK và DQPSK

Bảng 2.2 đưa ra các định nghĩa về pha của DBPSK và DQPSK Với trường hợp của khoá chuyển pha vi sai, thông tin được mã hoá dựa trên sự khác biệt về pha giữa các ký tự kề nhau Nói cách khác, pha được phát đi (n) của ký tự là hàm của pha trước đó (n1) và độ lệch pha () theo công thức sau: n=+

  Việc lưu độ lệch pha vi sai làm giảm đến mức thấp nhất thời gian thu Đặc điểm kỹ thuật của DSSS 802.11 cho phép đáp ứng cả hai tốc độ 1 Mbps và 2 Mbps Mức tín hiệu đầu vào máy thu được xác định là -80 dBm đối với gói dữ

liệu có tỷ số lỗi 8x10-2 Tỷ số lỗi gói là xác suất không giải mã được tất cả các bit trong gói dữ liệu một cách chính xác Nó được xác định bằng tích số của tỷ số lỗi bit và độ dài gói dữ liệu.

Mã Baker 11-chip được chọn làm mã giả tạp âm vì nhiều lý do Trước tiên, nó có tính tự tương quan tốt Thứ hai, vì mã Baker là khá ngắn nên cho phép đồng bộ hoá nhanh Thứ ba, các thuỳ đường bao sóng bị giới hạn đơn nhất, nó độc lập với cực tính và thời gian trễ của tín hiệu vào và thuỳ đường bao sóng thấp ngụ ý rằng công suất tín hiệu bị tổn thất chỉ khi thuỳ đường bao chính được chấp nhận Khi mỗi ký tự dữ liệu được truyền đi mã Baker 11-chip thay đổi pha 6 lần Điều này là không đối xứng bởi vì số lượng các xung âm và xung dương khác nhau một xung (mã đối xứng có số xung dương bằng số xung âm) Vì vậy, MPDU được trộn để giới hạn sự thay đổi độ lệch dòng điện một chiều do mã Baker không đối xứng Tốc độ chip 11 Mchip/s tương ứng với chu kỳ chip 90,9 ns Điều này ngầm định rằng quá trình truyền sóng đa đường vẫn sẽ là vấn đề nếu độ trải trễ trung bình bình phương bậc hai nhỏ hơn 90,9 ns Vì thế, phân tập anten vẫn có thể được sử dụng để chống lại các ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường Quy tắc chung đối với các hệ thống DSSS là độ rộng băng thông ít nhất bằng hai lần tốc độ chip Vì thế, tốc độ chip 11 Mchip/s yêu cầu độ rộng băng thông nhỏ nhất là 22 MHz.

2.3.3 Lớp vật lý FHSS

Hình 2.5 minh hoạ khuôn dạng gói dữ liệu FHSS 802.11 Khi so sánh các khuôn dạng gói tin PLCP DSSS và FHSS, có thể thấy rằng FHSS yêu cầu số bit ít hơn để đồng bộ hoá Tuy nhiên, độ dài lớn nhất của MPDU đối với FHSS ngắn hơn so với DSSS.

Tốc độ dữ liệu cơ sở 1 Mbps sử dụng phương pháp điều chế khoá dịch tần số Gausse (GFSK) 2 mức trong đó mỗi bit dữ liệu được biến đổi vào 1 trong 2 tần số Tốc độ nâng cao 2 Mbps sử dụng điều chế GFSK 4 mức Trong trường hợp này, 2 bit dữ liệu được biến đổi vào 1 trong 4 tần số Sau đó số liệu đã lọc được điều chế sử dụng độ lệch tần số tiêu chuẩn Giá trị BT bằng 0,5 được chọn trên cơ sở 2 yếu tố đó là yêu cầu sử dụng băng thông hiệu quả và khả năng tránh được nhiễu chồng lấn ký hiệu Các giá trị lớn của BT sẽ dẫn đến xuyên nhiễu chồng lấn ký hiệu mức thấp trong khi yêu cầu chi phí cho độ rộng băng thông cao Cả GFSK 2 mức và GFSK 4 mức đều có chung độ lệch tần số sóng mang trung bình bình phương Trước hết số liệu nhị phân được lọc trong dải băng gốc sử dụng bộ lọc Gausse thông thấp (độ rộng băng 500 KHz) với tích số thời gian-băng thông BT bằng 0,5 Bảng 2.3 biểu diễn các độ lệch tần số sóng mang cho các sơ đồ điếu chế GFSK 2 mức và GFSK 4 mức.

Hình 2.5: Khuôn dạng gói PLCP FHSS

Mỗi kênh tần số trong một mẫu nhảy tần chiếm giữ băng thông rộng khoảng 1 MHz và phải thực hiện nhảy tần ở tốc độ tối thiểu quy định bởi các cơ quan chuyên trách Chẳng hạn, ở Mỹ tốc độ nhảy tối thiểu là 2,5 bước nhảy/s (tương ứng với thời gian cư trú lớn nhất là 400 ms) Thời gian cư trú có thể được điều chỉnh thông qua các điểm truy nhập cho phù hợp với các điều kiện truyền sóng nhất định Khi được thiết lập, thời gian cư trú giữ nguyên không đổi Nút di động thu thập thông tin về thời gian nhảy tần khi nó đến kết hợp với điểm truy nhập Điều này cho phép nút di động đảm bảo đồng bộ với điểm truy nhập trong khi thực hiện nhảy tần giữa các kênh tần số Các mẫu nhảy tần đặc tả trong chuẩn 802.11 tối thiểu hoá xác suất BSS hoạt động ở cùng một kênh tần số tại cùng một thời điểm với một BSS khác Tính trung bình các chuỗi của cùng một tập xung đột với nhau 3 lần (trong trường hợp xấu nhất có tới 5 lần xảy ra xung đột) trong một chu kỳ của mẫu nhảy tần Ngoài ra, các mẫu nhảy tần được thiết kế để đảm bảo sự tách biệt là nhỏ nhất trong các kênh tần số giữa các mẫu nhảy kề nhau Sự tách biệt gây ra một vài mức phân tập chống lại hiệu ứng fading đa đường lựa chọn tần số Khoảng cách nhảy nhỏ nhất là 6 MHz ở Mỹ và Châu Âu (bao gồm Tây Ban Nha và Pháp) và là 5 MHz ở Nhật Bản.

MPDU được trộn và định dạng nhằm làm hạn chế các thay đổi về độ lệch dòng điện một chiều Quá trình tăng cấp (ramp-up) và giảm cấp (ramp-down) công suất máy phát những thay đổi trong các kênh tần số lân cận ở các điểm bắt đầu và kết thúc của mỗi gói Có thể cần đến 8sđể làm cho công suất tín hiệu tăng đến mức mong muốn Ở đây có chú ý rằng đối với truyền dẫn DSSS cần ít thời gian hơn (2s) để làm tăng công suất tới mức mong muốn do công suất phát thấp hơn.

2.3.4 Lớp vật lý hồng ngoại

Lớp vật lý DFIR PHY hoạt động ở dải bước sóng từ 850 đến 900 nm sử dụng phương pháp điều chế vị trí xung (PPM) với mức đỉnh công suất 2W Nói chung, một hệ thống L-PPM sẽ chia đoạn ký hiệu thành L khoảng con hay L khe

thời gian Một xung phát xạ hồng ngoại hẹp được phát đi trong một trong số các khe thời gian Vì thế, giống như quá trình điều chế nhiều mức, tốc độ ký hiệu có thể bị làm chậm hơn tốc độ số liệu Tuy nhiên, không giống như ở điều chế nhiều mức, độ rộng băng thông ở các hệ thống L-PPM tăng lên theo hẹ số L/log2L tương tự như ở quá trình điều chế cường độ xung bật-tắt Vì vậy, mặc dù cần phát đi nhiều bit hơn trong khi các khe thời gian lại hẹp hơn, các xung ánh sáng hẹp hơn phải vừa khớp với các khe thời gian nên yêu cầu có độ rộng băng thông lớn hơn Nhiễu bổ sung gây ra bởi băng thông bổ sung có thể làm giới hạn hiệu năng của các hệ thống L-PPM.

Khuôn dạng gói dữ liệu DFIR 802.11 PLCP được cho trên Hình 2.6 Ba trường đầu tiên được phát đi sử dụng điều chế cường độ khoá bật-tắt Qua trình điều chỉnh mức dòng một chiều (DCLA) cho phép các máy thu ổn định mức tín hiệu trung bình sau khi phát xong ba trường số liệu đầu tiên Mẫu của bộ xác định khung khởi đầu (SFD) phải được lựa chọn cẩn thận vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới tỷ số lỗi gói Xác suất phát hiện chính xác SFD phu thuộc vào xác suất mô phỏng SFD và xác suất lỗi của SFD Chuẩn 802.11 chọn mẫu 1001 là một trong các mẫu làm tối đa xác suất sửa lỗi của trường SFD Các trường bị khuất phát đi sử dụng L-PPM Độ dài cực đại của DFIR MPDU là ngắn nhất trong số

Hình 2.6: Khuôn dạng gói dữ liệu của mạng LAN hồng ngoại IEEE 802.11 Chuẩn DFIR 1 Mbps sử dụng PPM 16 vị trí (16-PPM) trong đó 4 bit dữ liệu biến đổi vào 1 trong số 16 xung (Hình 2.7) Chuẩn 2 Mbps sử dụng 4-PPM trong đó 2 bit dữ liệu được biến đổi vào 1 số trong 4 xung (Hình 2.8) Bất chấp khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu, độ rộng của mỗi khe thời gian L-PPM được xác định là 4 ms Điều này có nghĩa là đối với 16-PPM, 4 bit thông tin được phát đi trong khoảng thời gian 4 ms (16 khe x 250 ns/khe), vì vậy cho phép tốc độ dữ

liệu vô tuyến 1 Mbps Tương tự như vậy, mạng LAN 4-PPM phát đi 8 bit dữ liệu trong khoảng thời gian 4 ms và cho phép tốc độ dữ liệu 2 Mbps.

Hình 2.8: Tín hiệu điều chế vị trí xung ở tốc độ 2 Mbps

2.4 Lớp điều khiển truy nhập môi trường IEEE 802.11

Lớp MAC 802.11 liên quan chủ yếu đến các quy tắc để truy nhập vào môi trường vô tuyến dùng chung Có hai phương pháp truy nhập khác nhau đã được xác định Chức năng của giao thức MAC là chung cho cả ba tuỳ chọn của lớp vật lý (bao gồm DSSS, FHSS, DFIR) và độc lập với tốc độ dữ liệu Chuẩn này bao gồm dặc tả chính thức của giao thức MAC sử dụng phương pháp SDL được chuẩn hoá bởi ITU-T Các dịch vụ chính do lớp MAC cung cấp được diễn tả trong các phần sau.

2.4.1 Đơn vị dữ liệu giao thức MAC 802.11 tổng quát

Hình 2.9: Khuôn dạng đơn vị dữ liệu giao thức MAC tổng quát Hình 2.9 biểu diễn khuôn dạng của đơn vị dữ liệu giao thức MAC 802.11 tổng quát (MPDU) Các trường Địa chỉ 2, Địa chỉ 3, Điều khiển chuỗi, Địa chỉ 4 và dữ liệu người dùng chỉ có trong một số trường hợp nhất định MPDU được bảo vệ độc lập bởi các bit kiểm tra lỗi Có ba kiểu gói:

1 Các gói dữ liệu;

2 Các gói điều khiển (ví dụ như các gói RTS, CTS, ACK); 3 Các gói quản lý (ví dụ như đèn hiệu).

Thông tin cho bởi các trường khác nhau trong phần tiêu đề MPDU được liệt kê trong Bảng 2.3

Điều khiển khung Phiên bản hiện tại của tiêu chuẩn, các gói được nhận hoặc gửi đi tới hệ thống phân phối, quản lý nguồn, phân mảnh, gói mã hoá và nhận thực Khoảng thời gian/Nhận dạng Khoảng thời gian của vector phân phối mạng,

nhận dạng nút đang hoạt động ở chế độ bảo vệ nguồn.

Các trường địa chỉ 1-4 Các địa chỉ của BSSID, đích, nguồn, bộ phát, và bộ thu

Chuỗi điều khiển Chuỗi số của gói và phân đoạn gói.

Bảng 2.3: Thông tin cho bởi các trường dữ liệu khác nhau trong phần tiêu đề MPDU

2.4.2 Các khoảng trống liên khung

Ba khoảng trống thời gian hay khoảng trống liên khung (IFS) khác nhau xác định trên Hình 2.10 Các khoảng trống liên khung độc lập với tốc độ dữ liệu IFS ngắn (SIFS) là IFS ngắn nhất và được sử dụng cho tất cả các tác động đáp ứng tức thời (ví dụ như quá trình truyền dẫn các gói ACK, RTS, CTS) IFS thực

hiện chức năng phối hợp điểm (PIFS) có độ dài trung bình sử dụng để dò tìm các nút trong khoảng thời gian giới hạn IFS thực hiện chức năng phối hợp phân bố (DIFS) là IFS dài nhất được sử dụng như thời gian trễ nhỏ nhất giữa các gói dữ liệu truyền dẫn liên tiếp Khe thời gian được xác định và được sử dụng cho các mục đích lùi chờ phát Khe thời gian là tổng của thời gian ấn định kênh (cảm biến sóng mang), thời gian xoay vòng máy thu, trễ truyền sóng, và trễ xử lý lớp MAC SIFS là hàm của độ trễ thời gian, trễ xuất hiện trong quá trình giải mã phần tiêu đề/phần mào đầu PLCP, thời gian quay vòng máy thu, và thời gian trễ xử lý lớp MAC Chuẩn 802.11 xác định các giá trị khác nhau của khe thời gian và SIFS cho các lớp vật lý khác nhau Ví dụ, trong các mạng LAN DSSS, chuẩn 802.11 xác định SIFS=10svà khe thời gian TS=20 s Đối với các mạng LAN FHSS, SIFS=28s và khe thời gian TS=50s DIFS được xác định bằng SIFS+2xTS trong khi PIFS được xác định bằng SIFS+TS Như ở trong Bảng 2.4, IFS ở các hệ thống DSSS nhỏ hơn ít nhất hai lần so với IFS ở các hệ thống FHSS Điều này có nghĩa là một quá trình truyền dẫn DSSS chứa ít thông tin phụ hơn do các khoảng trống thời gian liên khung Khe thời gian ở chuẩn Ethernet 10 Mbps được xác định bằng thời gian của 512 bit hay 51,2s Tuy nhiên, độ rộng khe thời gian này cũng tính đến thời gian cần thiết cho quá trình phát hiện xung

Hình 2.10: Các định nghĩa khoảng trống liên khung Khoảng trống liên khung DSSS FHSS DFIR

Khe thời gian 20s 50s 8s

Bảng 2.4: Các đặc tả khoảng trống liên khung

2.4.3 Chức năng phối hợp phân tán

Phương pháp truy nhập cơ sở trong chuẩn 802.11 gọi là chức năng phối hợp phân tán (DCF) cần thiết cho quá trình đa truy nhập cảm biến sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA) CSMA/CA hoạt động tương tự như giao thức đa truy nhập cảm biến sóng mang phát hiện xung đột (CSMA/CD) sử dụng trong các mạng Ethernet hữu tuyến Trong cả hai giao thức, tính khả dụng của môi trường truyền dẫn phát hiện nhờ cảm biến sóng mang, và vấn đề tranh chấp môi trường truyền dẫn được giải quyết bằng việc sử dụng thuật toán lùi chờ theo hàm mũ Vì thế, các nút có thể phát dữ liệu nếu cần miễn là chúng tuân thủ các quy tắc giao thức.

Đa truy nhập cảm biến sóng mang

Trong các hệ thống CSMA, một nút có gói tin cần truyền trước tiên thực hiện cảm biến môi trường vô tuyến xem có quá trình truyền dẫn vô tuyến nào đang xảy ra hay không Nếu đường truyền vô tuyến bận (tức là một nút nào đó đang phát dữ liệu), nút này hoãn quá trình truyền dẫn của nó đến thời điểm sau đó Nếu môi trường truyền dẫn rỗi trong một khoảng thời gian lớn hơn khoảng thời gian của khoảng trống liên khung DCF (DIFS), gói sẽ được phát đi ngay lập tức Lớp MAC hoạt động kết hợp với lớp vật lý để đánh giá các điều kiện của môi trường Phương pháp dùng để xác định độ dài tín hiệu thu được có liên quan đến việc đo năng lượng của tín hiệu vô tuyến Nếu độ dài tín hiệu thu nhỏ hơn một ngưỡng cho trước, môi trường được xem là rỗi và lớp MAC được gán cho trạng thái của phép đánh giá kênh rỗi CCA đối với quá trình truyền dẫn gói Có một phương pháp khác tương quan với tín hiệu thu sử dụng mã Baker 11-chip để xác định sự xuất hiện của một tín hiệu DSSS hợp lệ Cả hai phương pháp này cũng có thể được kết hợp với nhau để đưa ra một phép đánh giá trạng thái môi trường đáng tin cậy hơn.

Gói Ethernet DSSS FHSS DFIR Độ dài (octet) 1 Mbps 2 Mbps 1 Mbps 2 Mbps 1 Mbps 2 Mbps

1518 0,0016 0,0033 0,004 0,008 0,0007 0,0013 512 0,005 0,010 0,012 0,024 0,002 0,004

64 0,039 0,078 0,098 0,195 0,016 0,031 Bảng 2.5: Tỷ số giữa thời gian của một khe với các độ dài khác nhau của

gói Ethernet (bỏ qua phần mào đầu vô tuyến)

CSMA rất hiệu quả khi môi trường truyền dẫn ở mức thấp bởi vì giao thức này cho phép các nút truyền dữ liệu đi với độ trễ nhỏ nhất Do có trễ truyền sóng trong môi trường truyền, xác suất có hai hay nhiều nút ngay lập tức cùng cảm biến được trạng thái rỗi của môi trường và phát dữ liệu đồng thời là do có sự xung đột Rõ ràng là, các miền xung đột như vậy thường xuyên xảy ra khi mạng bị quá tải với nhiều nút cùng phát dữ liệu Tỷ số giữa độ rộng khe thời gian và thời gian truyền dẫn gói cũng ảnh hưởng đến hiệu năng của CSMA Trong Bảng 2.5 , tỷ số giữa độ rộng khe thời gian (xác định trong Bảng 2.4) với gói Ethernet tiêu chuẩn là đủ nhỏ để đảm bảo cho thuật toán CSMA trong chuẩn 802.11 hoạt động hiệu quả.

Ở tốc độ cao hơn, CSMA có thể hoạt động không hiệu quả khi truyền dẫn các gói

Truy nhập tức thì khi cảm biến được môi trường rỗi trong khoảng thời gian lớn hơn

Hình 2.11: Truyền dẫn một gói sử dụng CSMA/CA

Tránh xung đột

Giao thức CSMA kết hợp với sơ đồ tránh xung đột (CA) tạo ra khoảng trống thời gian liên khung ngẫu nhiên (khoảng thời gian lùi chờ để phát tiếp) trong khoảng giữa hai quá trình truyền dẫn gói liên tiếp Tránh xung đột được thực hiện để làm giảm xác suất xảy ra xung đột ngay sau một quá trình truyền dẫn gói thành công Cần phải nhóm các gói cần phát tín hiệu vào trong các nhóm nhỏ hơn, mỗi nhóm sử dụng một khe thời gian nhất định (gọi là khe thời gian lùi chờ để phát tiếp) Nếu môi trường bận, trước hết nút phát phải phải trễ đến khi kết thúc khoảng thời gian DIFS và đợi một trong số các khe thời gian ngẫu nhiên (gọi là khoảng lùi chờ để phát) trước khi cố gắng phát dữ liệu một lần nữa (xem Hinh 2.11) Khi cần truyền lại, khoảng thời gian lùi chờ để phát tiếp tăng theo hàm mũ tới một ngưỡng xác định Trái lại, khoảng thời gian lùi chờ để phát tiếp giảm đến giá trị nhỏ nhất khi các gói số liệu được truyền thành công Đây chính là cách sử dụng các khoảng thời gian lùi chờ độ dài ngẫu nhiên để giải quyết các xung đột.

Tại mỗi khe thời gian lùi chờ, sử dụng cảm biến sóng mang để xác định xem môi trường có bận hay không Nếu môi trường là rỗi trong khoảng thời gian của một khe, khoảng thời gian lùi chờ giảm đi một lượng bằng một khe thời gian Nếu môi trường bận (đối với một khe nào đó), chức năng lùi chờ bị tạm ngưng và bộ định thời lùi chờ sẽ không giảm đối với khe thời gian này Trong trường hợp này, khi môi trường rỗi trở lại trong khoảng thời gian lớn hơn DIFS, chức năng lùi chờ tiếp tục giảm ở khe thời gian tạm dừng ở trước đó Điều này có ý rằng các khoảng thời gian lùi chờ bây giờ ít hơn lúc đầu Vì thế, gói bị trễ trong khi thực

hiện chức năng lùi chờ có khả năng được phát cao hơn và sớm hơn một gói mới đến Quá trình này lặp lại cho đến khi khoảng thời gian lùi chờ bằng không và gói được phát đi.

Cơ chế tránh xung đột cũng đảm bảo tính công bằng giữa các gói vì nó bắt buộc một gói phải thực hiện lùi chờ phát, vì thế tạo ra cơ hội phát cho một gói khác (xem Hình 2.12 và 2.13) Cơ chế này không được sử dụng khi một nút quyết định phát đi gói dữ liệu mới và môi trường rỗi trong khoảng thời gian lớn hơn một

Hình 2.13: Truyền dẫn nhiều gói sử dụng CSMA/CA (nhiều nút)

Phát hiện lỗi và xung đột

Cơ chế phát hiện xung đột trong các mạng LAN hữu tuyến yêu cầu máy thu cảm biến môi trường trong quá trình truyền dẫn Phương pháp này không thể áp dụng trực tiếp cho các mạng WLAN vì nhiều lý do Trước tiên, trong các mạng hữu tuyến, sự khác biệt giữa mức tín hiệu phát và tín hiệu thu (tức là phạm vi thay đổi) đủ nhỏ để phát hiện xung đột Tuy nhiên, trong một môi trường vô tuyến, năng lượng tín hiệu phát phát xạ theo mọi hướng và các máy thu phải rất nhạy để

có thể tách được tín hiệu Vì máy thu đặt cùng với máy phát nên ngay cả khi hai hay nhiều nút phát cùng một lúc, rất khó phát hiện các xung đột bởi vì quá trình truyền dẫn từ nút phát sẽ áp đảo toàn bộ quá trình truyền dẫn từ các nút khác Hơn thế nữa, giả sử ban đầu rằng quá trình phát hiện xung đột đòi hỏi tất cả các nút phải nge ngóng thông tin về các nút còn lại Điều này là không thực tế trong môi trường vô tuến vì mức suy hao tín hiện cao và biến thiên gây khó khăn để phát hiện các gói xung đột Điều này càng trở nên tồi tệ hơn khi có một nút ẩn và nút đang phát phát hiện được môi trường là rỗi nhưng không có môi trường truyền nào ở khu vực xung quanh máy thu Lý do cuối cùng là do quá trình phát hiện xung đột đòi hỏi rất tốn kém bởi vì yêu cầu các máy thu phát vô tuyến song công có khả năng phát và thu ở cùng một thời điểm.

Hình 2.14: Truyền dẫn thành công gói dữ liệu unicast

Giao thức MAC 802.11 yêu cầu các máy thu gửi bản tin xác nhận ACK trở lại máy phát nếu thu được chính xác gói dữ liệu (xem Hình 2.14) Bản tin ACK phát đi sau khi có một khoảng trống thời gian liên khung ngắn SIFS ngắn hơn DIFS Điều này cho phép bản tin ACK có thể được phát đi trước bất cứ một gói dữ liệu mới nào Nếu không có bản tin ACK nào được gửi lại, máy phát coi rằng gói đã phát đi bị hỏng (hoặc là do xung đột hoặc là do lỗi trong quá trình truyền dẫn) và nó tiến hành phát lại gói số liệu đó Vì thế, không giống như ở CSMA/CD, trong CSMA/CA các xung đột xảy ra chỉ sau khi gói số liệu được phát đi Quá trình truyền dẫn lại thực hiện bởi lớp MAC nhứ không phải bởi các lớp cao hơn, điều này đảm bảo phục hồi nhanh chóng các bản tin bị mất Đối với các mạng WLAN, khôi phục lỗi thực hiện ở lớp MAC trở nên khó khăn hơn vì có nhiều lỗi xảy ra thường xuyên hơn so với các mạng hữu tuyến Mặt khác, việc sử dụng bản tin xác nhận ACK làm giảm hiệu quả truyền dẫn bởi vì đối với mỗi gói dữ liệu thu đúng đều phải được xác nhận bằng một bản tin ACK Tiêu chuẩn 802.11 yêu cầu các bản tin ACK chỉ được phát đi từ phía thu trong trường hợp truyền dẫn điểm tới điểm các gói số liệu Trong các trường hợp phát quảng bá và phát điểm đến đa điểm việc phát tín hiệu xác nhận là không thực tế bởi vì điều này sẽ dẫn đến các quá trình xung đột giữa các bản tin ACK Kết quả là, độ tin cậy của lưu lượng

trong trường hợp này bị giảm Đối với quá trình phát hiện xung đột, các gói phát đi sử dụng CSMA không nhất thiết phải có độ dài xác định.

Cảm ứng sóng mang ảo.

CSMA/CA có thể được cải tiến bằng cách kết hợp với cơ chế cảm biến sóng mang ảo khi đó nó phân phối các thông tin dành riêng bằng việc đưa ra thông báo về việc sử dụng mạng trong tương lai Sự trao đổi các gói tin điều khiển ngắn gọi là các gói tin RTS (request-to-send) và CTS (clear-to-send) trước khi quá trình truyền thông các gói thực hiện trao đổi gói tin (xem Hình 2.15) Gói RTS được phát đi bởi nút phát trong khi gói CTS được phát đi bởi nút thu để cho phép nút xác định thực hiện phát thông tin Các gói RTS và CTS chứa trường độ dài xác định khoảng thời gian mà trong đó môi trường truyền dẫn đã được dành trước cho quá trình truyền dẫn gói số liệu và gói tin ACK trở lại phía phát Các gói RTS và CTS ngắn phải giảm thiểu các phần thông tin bổ sung (phần phu trội thêm vào không phải là tín hiệu) do ảnh hưởng của các xung đột và cũng cho phép nút phát phỏng đoán xung đột nhanh chóng Ngoài ra, gói tin CTS thông báo cho các nút láng giềng (các nút trong phạm vi nhận thông tin nhưng không phát thông tin) biết để kìm hãm quá trình phát thông tin tới nút thu, vì thế mà làm giảm các xung đột giữa các nút ẩn (Hình 2.16) Tương tự như vậy, gói tin RTS bảo vệ khu vực phát tránh khỏi xung đột khi gói tin ACK được gửi đi từ nút thu (Hình 2.17) Vì thế, thông tin dành riêng được phân phối xung quanh các nút phát và thu Tất cả các nút khác giải mã thành công trường độ dài trong các gói RTS và CTS lưu giữ thông tin dành sẵn về môi trường truyền dẫn trong một vector định vị mạng NAV Với những nút này, NAV được sử dụng kết hợp với cảm biến sóng mang để phát hiện tính khả dụng của môi trường Vì vậy, các nút này sẽ hoãn quá trình truyền dẫn nếu NAV khác không hoặc nếu như cảm biến sóng mang xác định rằng môi trường truyền đang bận Giống như cơ chế ACK, cảm biến sóng mang ảo không thể áp dụng cho các MPDU được đánh dịa chỉ theo kiểu quảng bá hay theo kiểu điểm đến đa điểm bởi vì xác suất xảy ra xung đột cao giữa một số lượng lớn các gói tin CTS Bởi vì phần thông tin phu trội là lớn, không cần phải liên tục điều chỉnh đặc biệt là đối với các gói số liệu có kích thước ngắn Do đó, tiêu chuẩn 802.11 cho phép các gói số liệu ngắn phát đi mà không cần đến cảm biến sóng mang ảo quá trình này được điều khiển bởi một tham số gọi là ngưỡng RTS Chỉ có các gói số liệu có kích thước lớn vượt ngưỡng RTS khi phát mới cần đến cảm biến sóng mang ảo Do hiệu suất của thuật toán cảm biến ảo phụ thuộc chủ yếu vào giả định rằng cả nút phát và nút thu có các vùng hoạt động như nhau (tức là công suất máy phát và độ nhạy của máy thu là như nhau) Việc có sử dụng cảm biến ảo hay không là tuỳ chọn nhưng cơ chế này phải luôn được đảm bảo.

2.4.4 Chức năng phối hợp điểm

Truyền thông thời gian thực yêu cầu giới hạn trễ từ đầu cuối tới đầu cuối dựa trên cơ sở thông tin bị làm sai giá trị của nó và có thể bị loại bỏ Điều này đối lập với trễ trong trường hợp truyền dữ liệu do trễ ở đây không bị giới hạn CSMA/ CA không thích hợp với việc hỗ trợ truyền thông thời gian thực bởi vì nó coi các gói là tương đương mà không xem xét đến độ nhạy của từng loại dữ liệu nhất định Đặc tính phi kết nối của nó không thực hiện sắp xếp hay ưu tiên các lưu lượng số liệu thời gian thực (ví dụ như thoại và video) và kết quả là nó không thể phân biệt lưu lượng thời gian thực và lưu lượng không yêu cầu thời gian thực (ví dụ như dữ liệu) Xác suất xảy ra xung đột, việc sử dụng các khoảng thời gian lùi chờ nhẫu nhiên và quá trình truyền dẫn các gói số liệu kích thước lớn có thể dẫn tới sự biến đổi trễ quá mức (còn gọi là hiện tượng rung pha hay jitter) Một điểm nữa cần chý ý là việc sử dụng bản tin xác nhận đối với việc phát hiện lỗi và xung đột trong CSMA/CA có thể làm giảm quá trình truyền dẫn lượng dữ liệu thời gian thực bởi vì quá trình truyền dẫn lại làm tăng thời gian trễ.

Chức năng phối hợp điểm tuỳ chọn PCF có thể được dùng để hỗ trợ các dịch vụ giới hạn thời gian PCF sử dụng một sơ đồ đa truy nhập không xảy ra tranh chấp và tập trung hoá tại đó các nút được phép phát dữ liệu chỉ sau khi chúng được thăm dò bởi các điểm truy nhập Xung đột có thể xảy ra khi các điểm truy nhập phát đi các bản tin thăm dò tới các nút di động nằm ở các vùng phủ vô tuyến chồng lấn nhau Để cho phép các nút di động khác chứa dữ liệu không đồng bộ truy nhập vào môi trường, giao thức MAC sắp xếp luân phiên DCF và PCF, trong đó PCF có quyền ưu tiên truy nhập cao hơn Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng một siêu khung tại đó PCF được tích cực trong khoảng thời gian